一种基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位方法

摘要

本发明涉及一种基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位方法，主要应用于直接序列扩频通信系统，属于通信信号处理领域。该方法将需要处理的连续信号进行分段；对每段数据求绝对值，找出最大的绝对值，并求最大绝对值的累积平均值，这种计算方法可以节省大量的资源；根据需要截取的位数，设计栅格比较器，通过利用栅格比较器对累计平均值的判断得到截位方式；对数据进行截位，然后拼接，送到下一级处理。本方法不需要存储每一段数据的最大绝对值，因此节省了大量的资源，采用近似方法求累计平均值，一定程度上减少了计算量，利用栅格比较器可以有效提高截位的灵敏度和精度，可适用各种数据类型，适合实时处理通信系统的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位方法，主要应用于直接序列扩频通信系统，属于通信信号处理领域。

背景技术

在直接序列扩频通信系统中，数字信号处理的过程中，需要进行大量的加法、乘法等运算，如fft和ifft变换的过程中都会使处理的信号增大，对应的数据位宽也会相应的增加。然而，接收方或者下一级能够处理的数据仍保持固定的位宽，即未增加位宽，这就需要对信号进行合理的截位。

自适应截位技术在任何扩频通信系统中都不可缺少，无论是信号的调制、解调，还是发射机、接收机中的设计，都需要运用到自适应截位技术，它是承接两个处理模块之间的桥梁，即将上一级模块处理后的大信号合理截位为下一级处理模块需要处理的小信号。

二进制有符号数的位数包括两部分：符号位和数据位。符号位用于表示数据的极性，数据位表示数据的大小。数据位又可以分为MSB(most significant bits)和LSB(least significant bits)两部分。其中MSB表示数据的高有效位，LSB表示数据的低有效位。截位的原则是，首先保证数据的极性不能翻转，然后保留尽量多的MSB，使截位后的数据尽量接近真实的值。

现有自适应截位技术的工作流程如附图1所示。输入数据是m位，需要截位处理为k位，输入的原始信号可以是时域的或者频域的，因为自适应截位方法考虑的是信号的幅值，即信号的大小。具体的步骤如下：

步骤1、采用分段处理的思路，如附图1所示：首先将连续的原始数据x(n)，其中x(n)由m位二进制数表示，n表示顺序传输的数据个数，按时间顺序分割为若干等长的数据块x⁽⁰⁾(M)x⁽²⁾(M)...x^(N)(M)...，x^(N)(M)表示第N+1个数据块、N可以为无穷大，每个数据块的长度为M，称之为一帧。

步骤2、对于每帧数据，依次求这M个数据的绝对值，找出其中各帧数据的最大绝对值，为a₀a₁...a_N...，然后求出最大绝对值的累积平均A₀A₁...A_N...，A_N的公式为：

$A_N=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{a}_i---\left(1\right)$

$A_{N+1}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_i=A_N+\frac{1}{N}(a_N-a_0)---\left(2\right)$

步骤3、将所求的累积平均值跟预先设定好的截位门限标准值进行比较，然后根据累积平均值所处的位置，得出相应的截位方式x(n)[x：y]，其中x-y+1＝k。

步骤4、根据步骤3对数据进行截位处理，得到k位的截位数据，然后将分段的数据块进行拼接，并且连续输出给接收端或者下一级处理。

此方法中，需要对每帧数据中的最大绝对值进行存储，才能求出对应的累积平均值，随着处理数据的增多，就会消耗大量的存储器资源。预先设定好的截位判断门限只能单一地引导截位向更高的bit位前进，使截位方案趋于保守，这种截位方式产生的方法灵敏度很差，精度也很差。

发明内容

本发明的目的是为提高现有截位技术的灵敏度和精度，提出了一种基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位技术，逻辑单元(slice)的占有率和存储器(blockram)的数量大幅下降，节约了处理器的成本。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤1、将原始数据分段处理：首先将直接序列扩频通信系统传输过程中的连续原始数据x(n)按时间顺序分割为若干等长的数据块x⁽⁰⁾(M)x⁽²⁾(M)...x^(N)(M)...，x^(N)(M)表示第N+1个数据块，N可以为无穷大，每个数据块的长度为M，称之为一帧，每一帧对应一个标志信号flag，即在每一帧结束的位置置为高电平，用以标记一帧的结束位置。其中x(n)由m位二进制数表示，n表示顺序传输的数据个数，m和n可以为任意正整数。

步骤2、在步骤1的基础上，求出每帧数据中各数的绝对值，找出其中各帧数据的最大绝对值，分别为a₀a₁...a_N...，然后求出最大绝对值的累积平均A₀A₁...A_N...，每当flag为高电平的时候更新。为了保证初始截位不会使数据极性反转，最大绝对值的累积平均A_N的初始值A₀设为m位符号数所能表示的最大正数值即2^m-1。A_N的计算公式为：

$A_N=\frac{1}{L}\underset{i=N-L}{\overset{N-1}{\Sigma }}{a}_i---\left(3\right)$

其中，L为一个有限长度取值，用以代替(1)式中无穷N，即参与累积平均的最大绝对值数量变为L个。此处代替的依据为：(1)式中，随着N的增大，a_i(i＝0，1...N-L-1)与A_N的关系越来越小，因此可以用L近似代替N。L取的越大则消耗的硬件资源越多，同时自适应截位方法的灵敏度也越差，反之，L越小截位的准确度就会越差，综合考虑，实际工程设计中L优选取值为64。

相应地，(2)式可等价转换为：

$A_{N+1}=\frac{1}{L}\underset{i=N-L+1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_i=A_N+\frac{1}{L}(a_N-a_{N-L})---\left(4\right)$

并且，可以用一个下式近似代替(4)式，以达到不需要存储以前第N-L帧的最大绝对值的目的，这样完全不需要使用存储器的资源：

$A_{N+1}=A_N+\frac{1}{L}(a_N-A_N)---\left(5\right)$

为验证用(5)式代替(4)式来求最大绝对值的累积平均值的可行性，可进行如下推导：

$A_N=\left(\frac{L-1}{L}\right)A_{N-1}+\frac{1}{L}{a}_{N-1}$

$A_{N-1}=\left(\frac{L-1}{L}\right)A_{N-2}+\frac{1}{L}{a}_{N-2}$

.

.

.

$A_{L+1}=\left(\frac{L-1}{L}\right)A_L+\frac{1}{L}{a}_L$

$A_L=\left(\frac{L-1}{L}\right)A_{L-1}+\frac{1}{L}{a}_{L-1}$

$A_N={\frac{1}{L}\left(\frac{L-1}{L}\right)}^{N-1}{a}_0+\frac{1}{L}{\left(\frac{L-1}{L}\right)}^{N-2}{a}_1+...\frac{1}{L}{a}_{N-1}=\frac{1}{L}\underset{i=N-L+1}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\left(\frac{L-1}{L}\right)}^{(N-1-i)}{a}_i---\left(6\right)$

通过进一步对(3)式和(6)式的期望及方差计算得到：(3)式和(6)式的期望相等，方差接近，因此可以用(5)式代替(4)式来求最大绝对值的累积平均值。

步骤3、预先设定一些门限标准值，这些门限标准值构成栅格比较器，包括上行栅格和下行栅格。上行栅格用来引导截位位置向更高有效bit位前进，使截位方案趋于保守；下行栅格用来引导截位位置向更低有效bit位前进，使截位方案趋于高效，克服旧方法中门限单一造成的截位不够精确的缺点。

上行栅格和下行栅格的设定方式为：上行栅格的门限标准值是相应的截位位置所能表达的最大正数值，下行栅格的门限标准值分别比对应的上行栅格的门限标准值小1/4；当累积平均最大值A_N同时大于相同位置的上行栅格和下行栅格的门限时，按新生成的截位方式截位；当累积平均最大值A_N不是同时大于相同位置的上行栅格和下行栅格的门限时，截位方式保持不变；为了保证初始截位不使数据极性反转、保留符号位，截位方式的初始值设置为截取数据的最高位数。

步骤4、利用步骤3设定的截位方式对步骤1分割的各个数据块进行截位，将m位数据截位为系统后续处理所需要的k位，将截位后的数据块重新拼接为连续的数据流，并且输出，从而得到直接序列扩频通信系统设计中所需要的截位数据。

以上步骤虽然是针对时域提出，但因为自适应截位方法考虑的是信号的幅值，即信号的大小，因此输入的原始信号可以是时域的或者频域的。输入频域信号的情况下，本发明方法与时域的一样。

有益效果

采用本发明的截位方法在计算第N帧数据的最大绝对值的累积平均值时，只需要前一帧数据的累积平均值和当前数据帧的最大绝对值，相对于现有技术，不需要对以前数据帧的最大绝对值进行存储保留，这样就节省了大量的slice资源，并且不需要消耗blockram。

本发明的截位方法采用上行栅格和下行栅格组成的栅格比较器的作用可以在保证数据极性不会翻转的前提下，使截位的精度更高；并且上行栅格和下行栅格同时作用可以有效防止由于数据在某个门限值附近抖动而导致截位方式不停跳动，从而提高计算的灵敏度。

本发明的截位方法可以在直接序列扩频通信系统中实现准确的自适应截位，并且只需消耗少量的资源，有广泛的应用前景。

附图说明

图1为现有技术的自适应截位方法的流程图；

图2为本发明的自适应截位方法的流程图；

图3为具体实施方式中的栅格比较器状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明。

本发明的自适应截位方法的流程如图2所示。本实施例设计一个抗窄带干扰前端滤波器，用以抑制扩频信号在传输过程中受到的窄带干扰，它应用于直接序列扩频通信系统接收机的前端。

具体模块设计过程中，输入端口进来的12bits位宽的基带调制信号经过fft变换、干扰抑制处理、ifft变换，过程中经过乘积、累加等运算，变为24bits位宽的信号。由于输出的用于数模转换(DAC)的信号需要的位宽是12bits的，对于通信系统中的自适应截位模块，这时需要将24bits位宽的数据截位为12bits。该设计目标的实现步骤如下：

步骤1、原始输入数据x[23:0]是24bits的，将连续的数据进行分段，4096个数作为一帧，每一帧对应一个标志信号flag，即在每一帧结束的位置置为高电平，用以标记一帧的结束位置。

步骤2、在步骤1的基础上，对每一帧中的数据分别求绝对值，并且求出各帧数据中的最大绝对值，分别为a₀a₁...a_N...。在实际设计过程中的寻找每帧最大绝对值的方法为：每传输一个数据便与前一数据比较，将其较大值赋予最大绝对值单元，当表示一帧结束的标志位的一次高电平出现时，便得到本帧最终的最大绝对值。为了保证初始截位不会使数据极性反转，最大绝对值的累积平均A_N的初始值A₀设为最大8388607(24bits符号数所能表示的最大正数值)，依据(5)式求出其它帧的最大绝对值的累积平均值，每当flag为高电平的时候更新，其中L取64。

步骤3、根据24bits截位为12bits上行栅格需要设置12个门限标准值，对应的12个门限标准值由低到高分别为[000000000000100000000000，000000000001000000000000，......，010000000000000000000000]，相邻的门限标准值差1倍；下行栅格的门限标准值与对应的上行栅格的门限标准值相差1/4，范围是[000000000000100000000000-000000000000001000000000，000000000001000000000000-000000000000010000000000，......，010000000000000000000000-000100000000000000000000]。上行栅格和下行栅格组成栅格比较器，如附图3所示，通过对步骤2求出的累积平均值与栅格比较器进行比较判断，因为本实施例的截位目的是由24bits变为12bits数据，有12种截位方式，因此设定一个4bits的截位变量，其初始值设置为1100，保证截位数据不会反转。然后得出24bits中对应截取12bits位置的截位方式。其中，截位变量为0000时，截取24bits中最低的12bits；截位变量为0001时，截取24bits中第1bit至第13bit；同理，依此类推，截位变量为1100时，截取24bits中最高的12bits。

步骤4、根据步骤3中设定的截位方式，对原始数据中每24bits位宽的数据进行截位，得到12bits位宽的截位数据，将这些分段的截位数据进行拼接，并且连续输出，得到直接序列扩频通信系统接收机需要的输入信号。

为验证本发明方法的有效性，采用xc5vsx95t的FPGA芯片、通过ISE10.1开发平台分别对现有技术及本发明的自适应截位方法进行编程综合，得到所消耗的资源数据如表1所示：

表1资源消耗比较

  Slice的使用数量  LUT的使用数量  blockram的使用数量  现有技术  389  947  1  本发明的方法  294  729  0

由表1的比较可以看出，本发明的自适应截位方法消耗FPGA的Slices和LUTs资源减少30％左右，并且不需要使用blockram，FPGA所含有的存储资源是很有限的，因此，本发明的自适应截位方法有很重要的意义。

实验表明，本发明的自适应截位方法能运行的速度可以达到327MHz，而旧的方法可以达到321MHz，对比可得，本发明的截位方法处理速度更快。

通过modelsim仿真，可以观察到本发明的截位方法所得的截位数据更接近真实的原始数据，因此基于最大绝对值累积平均和栅格比较的自适应截位技术可以实现更准确的自适应截位。